基于知識庫的高速公路隧道照明控制設計

任文輝 劉軍權 陳東洲 洪夕榮 趙寧

（1.中鐵建陜西高速公路有限公司，陜西 西安 710018；2.成都中工科技有限公司，四川 成都 610096）

隨著中國高速公路隧道運營規模的不斷擴大，隧道運營的安全性、節能性和舒適性越來越多的受到管理單位和行車人員的關注，隧道照明系統即為其中一個重要環節。為了消除車輛進出隧道時的“黑洞效應”和“白洞效應”，需要對隧道照明進行合理、有效控制。隧道照明設計通常從全年行車安全角度出發，以全年隧道外最大亮度和最高行車時速確定隧道內燈具功率和分布密度。同時，隧道照明控制的能力非常有限，無法根據天氣、車速、車流量等時變參數進行自適應調整。

一、控制方式分析

高速公路隧道照明控制一般分為手動控制、時序控制和自動控制3種方式。

（一）手動控制方式

手動控制方式主要由人工根據不同的隧道外情況開關不同的照明回路。這種控制方式有專人負責管理，但控制精度不高。對于管理要求不夠嚴格的單位，為達到照明要求，甚至長時間開啟大量燈具，使隧道內亮度遠高于標準要求。

（二）時序控制方式

時序控制方式是根據隧道外亮度，按日、周、月、年實測得到的統計規律值制定照明控制方案，確定在不同月份的具體一天中的不同時段開啟（閉合）不同的照明回路，以適應隧道外亮度的變化值。這種方法用歷史統計數據作為控制決策的參數，不能與當時的實際氣象條件完全吻合，可能造成能源浪費。

（三）自動控制方式

自動控制方式是根據實測的隧道外亮度值實時調節隧道內照明系統，以滿足駕駛員適應隧道內外亮度差的需要。駕駛員的適應時間和距離取決于隧道內外的亮度差和車速，一般采用一個停車視距。在隧道入口內外各設一臺檢測裝置，將自動檢測到的隧道內外亮度值發送至照明監控計算機，經數據處理后，產生控制方案，并將控制指令下傳到現場區域控制器，現場區域控制器按照指令要求，實時開啟或關閉相應的照明燈具，從而形成一個閉環控制。但此方式需合理確定隧道內外亮度差的閾值與控制策略，否則易造成照明回路頻繁切換，不利于保障行車安全，降低照明設施使用壽命。

二、優化控制設計

針對高速公路隧道照明常用控制方式存在的不足，設計了一種基于知識庫的隧道照明優化控制方式。該方式以自動控制為主，時序控制和人工控制為輔，依據知識庫進行控制決策，并能夠根據外部亮度的變化及時采取相應的策略，將隧道內的照明強度調整到適宜狀態，避免能源損耗，實現隧道照明的優化控制。

（一）控制原理

隧道入口段亮度要求的算式為：

式中，Lth為入口段亮度要求值，k為折減系數，Lo為隧道外亮度測量值。

隧道內外亮度差的算式為：

式中，ε為實際測量的隧道內亮度與規范要求的亮度標準值之差，Lth為入口段亮度要求值，LI為隧道內實測亮度。

知識庫以隧道內外亮度差ε的正負、照明回路的開關狀態以及每個照明回路所能達到的亮度為依據進行建立。

當ε>0時，表明隧道內亮度低于所需標準值，決策應增加開啟照明回路以增強亮度，且應優先開啟基礎照明回路，若基礎照明已開啟，則按亮度從小到大的順序，開啟已有照明回路開啟的一側（左側或右側）可以達到標準值的未開啟回路，若未開啟的回路中亮度最高的回路也達不到標準值，則默認開啟亮度最高的回路。當單側（左側或右側）回路全部開啟仍達不到標準時，則按上述順序依次打開另一側的照明回路。

當ε<0時，表明隧道內亮度高于所需標準值，決策應減少開啟照明回路以降低亮度。優先按照明回路可達到的亮度由大到小關閉，基礎照明回路最后關閉，且關閉相應回路的前提是在該回路關閉后，保證隧道內照明亮度仍能大于標準值。

（二）控制流程設計

高速公路隧道照明控制需要滿足兩個條件：一是可以根據傳感器采集到的環境數據進行分析計算，通過計算結果調整照明模式，另一個是在出現異常情況時能夠及時啟動輔助控制方式，使隧道照明保持正常運行。控制流程如圖1所示。

圖1 隧道照明優化控制流程圖

控制流程表明：當亮度檢測器等設備無故障時，由照明控制計算機采集檢測器的數據。采集的數據包括兩類，一類是隧道內外亮度數據，且通過隧道外亮度乘以折減系數可計算得到隧道內應有的標準亮度值，再計算隧道內實際測量得到的亮度值與應達到的標準亮度值之差ε；另一類數據是當時的照明各回路的開關狀態D1。將ε與D1輸入到控制知識庫進行處理決策，并將決策指令下發給照明控制器，從而自動控制相關的照明回路，以獲得理想的亮度環境。當亮度檢測器等設備發生故障時，則可轉為時序控制方式。

（三）知識庫構建

本文以陜西省高速公路某隧道照明系統為例，該隧道分上、下行方向，每方向左、右側各3組照明回路，上、下行方向照明回路燈具選型和布設密度相同，因此可選用相同知識庫。

設上、下行左側回路可達到的亮度分別為L11、L12、L13，設上、下行右側回路可達到的亮度分別為L21、L22、L23；設照明控制前的回路開關狀態為D1，照明控制后的回路開關狀態為D2；每個狀態值由6位數字表示，分別代表了左右各3組回路的開關狀態，每一位的0表示關閉，1表示開啟。構建照明控制知識庫如表1所示。

表1 陜西省高速公路某隧道照明控制知識庫

照明控制知識庫以每組回路可達到的照明亮度值為控制閾值，當隧道內亮度不滿足要求時，則知識庫決策開啟某組照明回路；當隧道內亮度超過要求時，在保證關閉某組照明回路后隧道內亮度仍能滿足要求的前提下，才決策關閉該組照明回路。

三、結語

通過隧道實際應用證明，根據本文設計的知識庫及相應規則進行照明控制決策，最大限度地節省能源消耗，避免了照明回路的頻繁開關操作，有效地延長了燈具的使用壽命，降低了隧道運營維護成本。